W pierwszych dniach po inwazji Rosji na Ukrainę, Unia Europejska mówiła, że jeśli ktoś chce dłużej pozostać przy węglu to może, pod warunkiem, że od razu przejdzie na OZE. Polska jednak nie jest gotowa ani finansowo ani technicznie do wdrożenia CCS, nie dysponuje wystarczającymi zasobami węgla i gazu, jest zapóźniona w tworzeniu OZE i energetyki jądrowej i ma nieźle zachowane rolnictwo z niezbyt wysokim nasyceniem nawozami sztucznymi. Biowęgiel znajduje dzisiaj co najmniej 60 zastosowań i może jej pomóc w drodze do OZE – pisze prof. dr hab. Zbigniew Bis z Politechniki Częstochowskiej.
Mimo ciągłego napięcia wywołanego konfliktem na Wschodzie oraz po bolesnym zetknięciu się, szczególnie dla kierowców, z pierwszymi symptomami obosiecznych skutków sankcji nakładanych przez Świat na Rosję, zaczynamy rozważać co dalej z bezpieczeństwem energetycznym naszego kraju. Największy problem mają Niemcy, którzy chyba już „strzepnęli popiół z głów” i coraz hardziej zaczynają mówić o braku ich zgody na zakaz sprowadzania gazu, węgla i ropy z Rosji. To trochę zrozumiałe, gdyż bezkrytycznie oddali swój rynek energetyczny Putinowi i zamknięcie dostaw surowców energetycznych z Rosji doprowadziłoby w krótkim czasie do krachu w ich sektorze energetycznym.
Konflikt na wschodzie pokazał, że świat wyciąga (choć zbyt wolno) wnioski i w odróżnieniu od praktycznej akceptacji działań Rosji na Ukrainie w 2014 roku, tym razem szybko się zjednoczył i oby jak najdłużej w tej solidarności pozostał a Niemcy ponownie przekonały się, że sankcje należy kontynuować, gdyż ich negatywne skutki dla nich i narodów Europy są niczym w porównaniu z tym jak cierpi naród ukraiński i co może spotkać Polskę i inne kraje wschodniej flanki, jeśli nie zatrzymamy tej inwazji.
Jednakże jak to bywa w praktyce, po pierwszym szoku wszyscy się do umownego „bólu” przyzwyczajają w myśl zasady „trzeba iść do przodu”. W pierwszych dniach po inwazji Rosji na Ukrainę (2.03) UE ustami Fransa Timmermansa mówiła, że jeśli ktoś chce dłużej pozostać przy węglu to może, pod warunkiem, że od razu przejdzie na OZE.
Kryzys ukraiński pokazał na jaskrawych przykładach, których tu wymieniać nie trzeba, bo są właśnie jaskrawe, że liczy się interes własny a wspólny to tylko wtedy, gdy nie godzi w nasz. W wypowiedzi Timmermans’a i naszych luminarzy dał się zauważyć pewien rozsądny zwrot, który krótko można podsumować następująco – „węgiel przestał brudzić”. Lecz niestety węgiel, podobnie jak gaz naturalny i ropa naftowa ostatnio osiąga także jedne z najwyższych cen w historii. Mamy zalążki NABE, (które jeszcze formalnie nie powstało a już budzi kontrowersje). Coraz liczniej podnoszą się głosy, że węgiel to tak ale z CCS, które nie tak dawno zostało odrzucone z uzasadnionych wysokich kosztów i braku miejsca na „storage”, względów. W tych dniach jeden po drugim duże, rodzime koncerny energetyczne zadeklarowały „wejście” w CCS. Czyżby przeoczyli informację ze stycznia 2022 [1], że wart prawie 1,1 mld USD program CCS w Stanach Zjednoczonych zakończył się fiaskiem? Nadzieja na spadek cen uprawnień do emisji CO2 rozbudzona ich „tąpnięciem” na początku marca – niestety powoli topnieje wraz z ponownym ich wzrostem.
Tymczasem postawa dużych członków UE usztywnia się i Timmermans mówi, że UE będzie gotowa zrezygnować z rosyjskich surowców energetycznych dopiero w 2030 roku, ale OZE będziemy wprowadzać jak najszybciej. Komisja Europejska nie będzie reformowała ETS, co oznacza, że spekulacje dalej będą miały miejsce prowadząc do wzrostu cen za energię elektryczną i gaz – wynika z komunikatu wydanego 8 marca 2022 roku przez Fransa Timmermansa.
UE nie rezygnuje z OZE
Fakty natomiast są następujące:
• Polska nie jest gotowa ani finansowo ani technicznie do wdrożenia CCS,
• Polska nie dysponuje wystarczającymi zasobami węgla i gazu,
• Polska jest zapóźniona w tworzeniu OZE i energetyki jądrowej
• Polska ma nieźle zachowane rolnictwo z niezbyt wysokim nasyceniem nawozami sztucznymi.
Już przed wybuchem konfliktu na wschodzie światowe rolnictwo i przemysł dotykały co najmniej dwa, z pozoru sprzeczne problemy. Z jednej strony przemysł, a szczególnie energetyka oparta o spalanie paliw kopalnych dla wytwarzania energii elektrycznej i ciepła (CHP), intensywnie eksploatuje kurczące się zasoby paliw pierwotnych, emitując przy tym całą gamę zanieczyszczeń w tym trudne do usunięcia ze spalin CO2. Rosnące w efekcie tych działań stężenie CO2 w powietrzu powinno cieszyć rośliny, gdyż jest dla nich podstawowym budulcem. Niestety tak się nie dzieje, gdyż nadmiar CO2 i innych gazów cieplarnianych w atmosferze prowadzi do nasilania efektu cieplarnianego skutkującego m.in. wzrostem temperatury i stepowieniem coraz większych obszarów globu. Warunkiem intensywnego wzrostu i plonowania roślin jest nie tylko obecność w atmosferze CO2, lecz także wody i substancji organicznej (SOM) w glebie, której podstawowym składnikiem jest pierwiastek węgiel C. Węgiel jest bardzo ważnym pierwiastkiem w glebie jako kontroler i magazyn wilgoci i nawozów, a także minerałów. Dzięki tradycyjnemu i intensywnemu traktowaniu „pługiem” (intensywne zabiegi agrotechniczne) gleby są regularnie wystawiane na działanie wolnego tlenu z powietrza, a zatem tracą węgiel w postaci węglowodorów i tlenków (w tym także CO2) z kompostowanej biomasy(korzenie, resztki roślinne, itp). Wraz z odkryciem „terra pretta” w dorzeczu Amazonki oraz rosnącym zaniepokojeniem zmianami klimatu i produkcją żywności na świecie, znaczenie węgla w glebie rolniczej stało się ważnym tematem. Objawia się więc pewien paradoks. Stężenie węgla w atmosferze wzrasta a w glebie maleje.
Tę nierównowagę potęguje wykorzystanie biomasy do celów energetycznych, które zyskało na znaczeniu, gdyż rzekomo prowadzi do zmniejszenia emisji CO2. To manipulacja oparta na założeniu, że spalanie biomasy jest neutralne jeśli chodzi o emisję CO2, ponieważ w wyniku takiego procesu ilość wyemitowanego danego CO2 jest równa ilości innego CO2, którą dzięki fotosyntezie roślina „spożyła” by wzrosnąć.Można by się od biedy z tym zgodzić, gdyby spalanie odbywało się w miejscach gdzie biomasa rośnie. Tymczasem jest zupełnie inaczej. Biomasa rośnie i jest ścinana na terenach odległych od elektrowni, gdzie jest spalana o setki a czasem i tysiące kilometrów. Do tego dochodzi emisją CO2 i innych zdecydowanie silniej przyczyniających się do efektu cieplarnianego związków chemicznych (np. NOx), ze spalania paliw płynnych przez ciężarówki przewożące ściętą biomasę do elektrowni. Tak więc zupełnie inne CO2 „spożywają” rośliny, a emitowane przez elektrownie i ciężarówki CO2 zwiększa jego stężenie w aglomeracjach miejskich, gdzie wskutek emisji przemysłowych i komunikacyjnych jest ono ponad miarę wysokie. Konflikt na wschodzie spowodował, że strategia budowy (jak również eksploatacji już wybudowanych) w elektrowniach, elektrociepłowniach i ciepłowniach kotłów dedykowanych do spalania biomasy (w stu procentach opalanych biomasą) staje się z dnia nadzień problematyczna, gdyż w zdecydowanej większości dostawy biomasy dla tych kotłów pochodziły z Białorusi, Rosji oraz Ukrainy. Czas więc spojrzeć na własne podwórko i tu szukać biomasy dla wykorzystania jej w procesach generacji „zielonej” energii.
Termoliza biomasy a węgiel w glebie
Tymczasem w miejscu wzrostu biomasy, lub niedalekiej odległości (lasy, uprawy, farmy rolnicze, biogazownie, fermy drobiu, fermy bydła, trzody chlewnej zakłady przetwórstwa rolno-spożywczego itp.) powstaje szereg odpadów biomasy, które z wielu powodów, głównie nadmiaru zawartości wody, nie nadają się do bezpośredniego spalania. Różnego rodzaju tzw. niesortową biomasę można natomiast bardzo efektywnie wykorzystać w procesach termolizy, realizowanych w rozproszonych w terenie zakładach poligeneracyjnego wytwarzania biowegla, ciepła/chłodu, oraz elektryczności, których produkcja oparta byłaby na tych odpadach. Proces termolizy biomasy w odróżnieniu od spalania polega na ogrzewaniu rozdrobnionej biomasy przy braku tlenu (podobnie do procesu pirolizy), co eliminuje jeszcze jedną, bardzo uciążliwą cechę procesu spalania w dużych, energetycznych kotłach parowych – jaką jest permanentne żużlowanie ich powierzchni ogrzewalnych[1]generujące dodatkowe koszty i przyśpieszające zużycie tych urządzeń.
Ścinając i wywożąc biomasę z miejsc jej wzrostu eliminujemy szanse na powrót do gleby cennych substancji nawozowych (np. słoma zbóż, roślin strączkowych, ryżu itp.) i odtwarzanie tym samym ubytków w nich węgla wskutek intensywnych upraw. Dane EUROSTATU wskazują,że tylko w Europie w UE-27 na typowym hektarze gruntów rolnych brakuje około 10 ton węgla, co odpowiada potencjalnej redukcji emisji gazów cieplarnianych wynoszącej 36 ton na hektar.
Otóż od dłuższego już czasu na świecie biowęgiel jest uważany za polepszacz gleby, podobnie do kompostu lub wapna. Lecz w przeciwieństwie do większości polepszaczy, biowęgiel jest stabilny w glebie (dlatego może być traktowany jako naturalne CCS – Carbon Capture and Storage) i kumuluje się, gdy każdego roku dodaje się go więcej. Już dawno wykazano, że biowęgiel zwiększa zdolność zatrzymywania wody (WHC -Water Holding Capacity) w glebie w sposób liniowy – im więcej dodajemy biowęgla, tym więcej wody zatrzyma gleba. Badania światowe pokazują, że pięcioprocentowy dodatek biowęgla do gleby (ok. 80–100 Mg/ha) pozwala osiągnąć wartość WHC na poziomie 25 procent, co jest średnio o 50 procent więcej niż dla gleb bez dodatku biowęgla. To zrozumiałe, gdyż dzięki silnie rozwiniętej powierzchni wewnętrznej, każde ziarno biowęgla stanowi mikrozbiornik wody. W tym sensie biowęgiel może być postrzegany jako inwestycja kapitałowa w infrastrukturę glebową. Specjaliści od gleby i ekohydrolodzy są zgodni, że biowęgiel powinien być częścią pakietu inwestycji w infrastrukturę rolną związaną z retencją w nowo budowanych zbiornikach połączonych z precyzyjnym nawadnianiem. Oprócz rosnących temperatur, innym wpływem zmian klimatu na środowisko jest zmniejszenie opadów w niektórych miejscach, co ostatecznie prowadzi do bardziej dotkliwych i długotrwałych susz. Widzimy to już w niektórych miejscach Świata (także w Polsce), a lokalni urzędnicy wprowadzają obowiązkowe racjonowanie wody dla swych obywateli. Bardziej wydajne nawadnianie i biowęgiel mogą pozwolić polom, sadom i uprawom warzyw przetrwać okresy bardzo niskiej dostępności wody. Potrzebna jest retencja wody i tworzenie (raczej odtwarzanie) systemów irygacyjnych. O pozytywnym wpływie biowęgla na jakość i plonowanie gleb dziś już prawie nie ma wątpliwości a o szczegółach można przeczytać m.in. w materiałach dostępnych na stronach IBI (International Biochar Initiative).
Szacując, że łączna ilość stabilnego potencjału zasobów węgla zdeponowanego w formie biowęgla w europejskiej glebie rolnej przekracza 6 miliardów ton ekwiwalentu CO2- co stanowi ilość bliską całkowitej emisji tego gazu w UE-27 rocznie, a zatem znaczną wartość. Także bardzo znacząca wartość dla samego rolnictwa: Przy cenie emisji gazów cieplarnianych wynoszącej już blisko 80 euro/Mg,rolnictwo może skorzystać z jednorazowego wkładu w wysokości ok. 2300 euro/ha poprzez handel emisjami a do tego należałoby dodać co najmniej 20 procent wzrost zbiorów dzięki poprawie gleby.Ponadto uspołecznione koszty zmian klimatu mogłyby potencjalnie zostać zmniejszone dzięki lepszemu zatrzymywaniu wody i zapobieganiu erozji ulepszonych gleb.
To wszystko dobrze koresponduje z polityką klimatyczną UE opracowaną dla przeciwdziałania postępującym zmianom klimatu która stawia sobie za cel neutralność klimatyczną. Pod względem koncepcyjnym neutralność klimatyczna oznacza, że pochłaniacze dwutlenku węgla (emisje ujemne) muszą powstawać w takim samym tempie, w jakim powstają jego emisje. Jednakże potencjał pochłaniaczy typu CCS i CCU jest ograniczony i ich opracowanie zajmie kilka lat, może nawet dziesięcioleci. Podobny jest stan rozwoju technologii redukcji emisji CO2 wobec tego równolegle należy tworzyć, najlepiej corocznie, skuteczne pochłaniacze CO2.
Trzy następujące rozwiązania:
• zalesianie (w tym odtwarzanie zasobów poprzez ponowne zalesianie wycinek),
• wytwarzanie biowęgla,
• odtwarzanie materii organicznej gleby,
Z powodzeniem spełniają one funkcję pochłaniaczy CO2 i można je realizować w perspektywie krótko i średnioterminowej. Ich niewątpliwą zaletą jest to, że umożliwiają one odpowiedni wolumen pochłaniania CO2 w krótkim okresie, są opłacalne, są niskonakładowe, przynoszą dodatkowe wartości dodane oraz nie mają negatywnego wpływu na ekosystemy.
Ponieważ wymienione wyżej rozwiązania są ze sobą powiązane, dlatego technologia produkcji biowegla z biomasy (termoliza biomasy) jest kluczową, intensywnie rozwijaną na świecie technologią dla ochrony klimatu. Duża liczba doświadczeń aplikacyjnych i niezliczone publikacje naukowe dowodzą, że biowęgiel jest stosowany jako polepszacz gleby w rolnictwie i leśnictwie, gdzie oprócz bezpośrednich korzyści poprzez wzrost plonów i drzew, poprawę struktury i żyzności gleby, przyrost materii organicznej (co praktyczne przyczynia się do wdrażania ogólnoświatowej inicjatywy „4 per 1000”- zwiększania co roku zawartości materii organicznej w glebie o 0,4 procent), przynosi korzyści dla klimatu jako pochłaniacz dwutlenku węgla na różne sposoby (zdeponowanie w glebie jednej tony biowegla to trwała sekwestracja co najmniej 3,5 ton CO2) i jest opłacalny (wysoka cena zbytu).
Technologia produkcji biowegla z biomasy, szczególnie odpadowej z rolnictwa, gospodarki leśnej, oczyszczania dróg i sadów to praktyczna realizacja idei GOZ (Circular Economy), tak promowanej w UE. Otóż w energetyce i ciepłownictwie za energie pochodzące z OZE uznaje się ciepło i energię elektryczną pochodzące ze spalania biomasy.
Produkcja biowegla pozwala na zastąpienie przestarzałej techniki spalania dla generacji energii, nowoczesnym, poligeneracyjnym procesem pozwalającym uzyskać aż 5 wartości dodanych, a mianowicie:
• energia elektryczna neutralna pod względem emisji CO2,
• ciepło neutralne pod względem emisji CO2,
• chłód neutralny pod względem emisji CO2,
• biowęgiel,
• ujemne emisje (jeśli zostanie dodany do gleby).
Biowęgiel znajduje dzisiaj co najmniej 60 zastosowań (według EuropeanBiocharCertificate– EBC [4]), wśród których można wyróżnić te, które związane są bezpośrednio z energią, a mianowicie [3]:
• materiał dla budowy magazynów ciepła, energii elektrycznej (np. superkondensatory) oraz wodoru,
• paliwo dla wysokosprawnej produkcji elektryczności w ogniwach paliwowych typu DCFC,
• paliwo do produkcji „zielonego wodoru”.
Poniżej zostanie przedstawiona kolejna koncepcja zintegrowanego układu dla poligeneracyjnej produkcji biowęgla, predystynowana szczególnie dla generacji rozproszonej.
Poligeneracyjne wytwarzanie biowęgla, ciepła, energii elektrycznej oraz nawozów organicznych
Wobec doświadczeń autora niniejszego artykułu oraz autorów licznej literatury biowegiel jest formą materii organicznej, która jest niezwykle długowieczna (oporna na mineralizację). Najlepsze wyniki zwykle uzyskuje się, gdy ta nowa forma materii organicznej – biowęgiel i kompost są używane razem –gdyż te formy węgla są komplementarne. W rzeczywistości odrobina biowęgla może pomóc w polepszeniu warunków tworzenia kompostu, powodując mniejszą utratę składników odżywczych i bardziej zróżnicowaną społeczność mikrobiologiczną (np. grzyby z rodziny Glomales [2]).
Biowęgiel może być wprowadzony na rynek poprzez tzw. generację rozproszoną (klastry energetyczne), ale może być również produkowany na miejscu przez rolników przy użyciu resztek roślinnych lub jako dodatkowa część zakładu przetwarzania zbiorów z wykorzystaniem odpadów zakładów przetwórczych, takich jak np. wytłoki i pestki z owoców. Gdyby zastąpić mało efektywną produkcję z biomasy elektryczności w elektrowniach zawodowych, czy też elektryczności i ciepła w elektrociepłowniach [2,3], autotermicznym wytwarzaniem biowęgla w poligeneracyjnych zakładach przetwórczych rozlokowanych np. w lokalnych ciepłowniach [2], uzyskalibyśmy wiele efektów synergii. Oprócz wymienionych wyżej, jednym z niebagatelnych, wymiernych w pieniądzu, byłoby rozwiązanie problemu drastycznego wzrostu kosztów produkcji ciepła w efekcie „bolesnego” wzrostu cen certyfikatów unikniętej emisji CO2, których cena niebezpiecznie ponownie wzrasta i zbliża się do poziomu 80 euro za toną CO2 (niestety w ciepłowniach do produkcji ciepłej wody stosuje się głównie węgiel kamienny). Autor wraz z współpracownikami dysponuje realną (sprawdzoną w praktyce) koncepcją i technologią realizacji takiej strategii. O szczegółach tych rozwiązań można przeczytać m.in. w [2,3].
Najbardziej efektywnym procesem produkcji biowęgla jest ciągły proces autotermiczny w którym ciepło do ogrzewania pozyskujemy ze spalania części lotnych wydzielanych w procesie termicznego rozkładu biomasy (termolizy). Aktualne wymogi niskoemisyjnego spalania, szczególnie niskiej emisji tlenków azotu, tlenku węgla i pyłów, powodują, że rozwiązanie konstrukcyjne układu reaktora uwęglania, w części przewidzianej do realizacji spalania części lotnych, powinno pozwalać na stopniowanie dostarczania powietrza oraz co najmniej dwustopniowe a nawet trzystopniowe spalanie [2]. Taki nowocześnie rozwiązany proces autotermicznej produkcji biowęgla generuje znaczne ilości ciepła (ok. 50 procent ciepła spalania wyjściowej biomasy) w postaci gorących spalin z którego część można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej, część do podsuszania substratów, pozostałą zaś do ogrzewania (CO i CWU) oraz zamiennie do produkcji chłodu (chłodziarki absorpcyjne). W ten sposób produkcja biowęgla z substratów biomasowych staje się produkcją poligeneracyjną, która jest znacznie bardziej efektywna (wyższa sprawność przetwarzania energii oraz atrakcyjna stopa zwrotu głównie z powodu sprzedaży większej liczby produktów) aniżeli znana powszechnie i promowana kogeneracja, trigeneracja (produkcja ciepła, elektryczności i chłodu) a nawet kwadrgeneracja (z ang. Quadrgeneration–produkcja oprócz prądu elektrycznego, ciepła, chłodu także CO2 poprzez adsorpcję go ze spalin). Należy podkreślić, że wymienione technologie możliwe są do realizacji tylko w przypadku stosowania gazu ziemnego jako paliwa. Produkcja biowęgla jest poza wszelkimi wątpliwościami bardziej wydajna i bardziej efektywna niż onegdaj stosowane współspalanie w energetyce zawodowej, czy też obecnie stosowane spalanie biomasy w specjalnie do tego celu przystosowanych kotłach wytwarzających parę wodną zasilającą turbiny napędzające generatory prądu elektrycznego. Takie rozwiązania powodują, że generacja wymienionych wyżej mediów odbywa się przy zerowej netto emisji CO2 (efekt założenia, że ilość CO2 powstałego ze spalania biomasy jest równoważna ilości CO2 pochłoniętego przez rośliny w czasie wzrostu). Produkcja biowęgla oprócz produkcji ciepła/chłodu, elektryczności, biowęgla a także CO2 zaabsorbowanego ze spalin, daje dodatkowy profit w postaci „ujemnej” emisji CO2 w wyniku naturalnej sekwestracji, jeśli biowęgiel dodamy do gleby lub zdeponujemy w specjalnie zorganizowanych „magazynach” rozlokowanych w specjalnie wytypowanych przez ekohydrologów miejscach (brzegi rzek, stawów, zbiorników wodnych) wychwycony ze spalin CO2 wykorzystamy do dokarmiania roślin w szklarniach. W ten sposób można zmniejszyć emisję CO2 co najmniej o 20 procent , jeśli biowęgiel dodamy do gleby, natomiast procent ten można znacząco zwiększyć dokarmiając CO2odzyskanym ze spalin rośliny w szklarniach.
W niniejszym artykule zostanie przedstawiona nowa koncepcja skojarzonego wytwarzania biowegla dedykowana dla rozproszonego generowania – klastrów nie tylko energetycznych. Ideę nowego układu przedstawia schemat widoczny rys.1. Głównym elementem układu jest zintegrowany zespół turbiny i generatora prądu elektrycznego pracującego w obiegu termodynamicznym ORC (z ang. Organic Rankine Cycle). Proponowany zespół ORC wyróżnia się spośród układów tego typu parametrami pracy, podanymi na rys. 1. Otóż rolę górnego źródła ciepła z powodzeniem spełnia kocioł wodny o nieco podwyższonych parametrach wyjściowych gorącej wody 145 -150oC, która po oddaniu ciepła w wymienniku jednostki ORC wraca do kotła o temperaturze 125 -130oC,co oznacza, że woda krążąca w obiegu podgrzewana jest w kotle o ok. 20oC. Źródłem ciepła do podgrzania wody w kotle są gazy wytlewne z odgazowania (termolizy) biomasy w reaktorze termolizy. Ciepło w dolnym źródle obiegu ORC odbierane jest przez wodę sieciową centralnego ogrzewania (CO).
Dla realizacji obiegu ORC stosowany jest czynnik termodynamiczny który posiada następujące cechy, jest:
• Niepalny
• Nietoksyczny
• Nieeksplozyjny,
• Wydajny termodynamicznie,
• Niestarzejącysię,
• Ekologiczny.
Czynnik termodynamiczny nie wymaga wymiany ani uzupełniania w trakcie eksploatacji zespołu ORC.
Proponowana instalacja ma kilka przewag w porównaniu z stosowanym dotychczas układem reaktora termolizy zintegrowanym z kotłem wodnym CO opisanym np. w [2]. Poza oczywistą korzyścią wynikającą z produkcji energii elektrycznej, która w proponowanym układzie generowana jest jakby „przy okazji” produkcji użytecznego ciepła zawartego w gorącej wodzie wykorzystywanej w standardowej sieci CO, jest możliwość wykorzystania nowego typu reaktora termolizy w którym różnego rodzaju biomasa ogrzewana jest omowo. Ogrzewanie strumienia biomasy w reaktorze termolizy z wykorzystaniem wysokosprawnego procesu wytwarzania ciepła Joule’a – Lentza podczas przepływu prądu elektrycznego generowanego we własnym, integralnym układzie ORC w oporowych elementach grzejnych reaktora termolizy pozwala na wyzwolenie i efektywne wykorzystanie ciepła procesów egzotermicznych występujących podczas termicznego rozkładu biomasy. Ilość ciepła generowanego z tych procesów jak również zakres temperatur ich występowania zależny jest od rodzaju biomasy oraz jej stanu fizycznego (wilgotności, stopnia rozdrobnienia itp.), dlatego też wykorzystywanie do ogrzewania reaktorów termolizy ciepła pochodzącego ze spalania części gazów wytlewnych w bezpośrednim sąsiedztwie retorty reaktora nie zawsze prowadzi do właściwego zsynchronizowania temperatur w reaktorze z wymaganiami procesów egzotermicznych.
Kolejnym pozytywem proponowanej instalacji są niskie temperatury w kluczowych punktach obiegu, co pozwala stosować typowe, niezbyt drogie materiały na budowę podstawowych elementów instalacji (kocioł wodny, pompy wodne, płytowe wymienniki ciepła, rurociągi i armaturę). Niestety osiągane sprawności generacji prądu elektrycznego przy parametrach termodynamicznych obiegu widocznych na rys. 1 nie są co prawda oszałamiające, (a wynika to choćby z definicji sprawności obiegu porównawczego Carnote’a), lecz dysponujemy stosunkowo prostym technicznie, bezpiecznym a przede wszystkim tanim inwestycyjnie układem skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej. Godnym odnotowania pozytywem agregatu ORC (turbina, skraplacz, zespół wymienników płytowych) są jego kompaktowe wymiary, umożliwiające jego umieszczenie w kontenerze.
Jak opisano w [2] zastosowanie w podobnym układzie, nastawionym głównie na produkcję biowęgla, turbiny na gorące powietrze EFGT (z ang. Externaly Fired Gas Turbine) pozwala na uzyskanie sprawności wytwarzania prądu elektrycznego rzędu 20-30 procent, lecz puki co agregaty takie są drogie i wymagają budowy kotłów odzyskowych do nagrzewania powietrza (czynnik obiegowy) wykonywanych z drogich materiałów żarowytrzymałych. Nad rozwiązaniem technicznym takiej turbiny w Polsce pracuje Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku wspólnie z Politechniką Rzeszowską. Pierwsze wyniki są obiecujące a według informacji Wykonawców stosowane materiały na rury wymienników spaliny – powietrze nie wymagają stosowania wyszukanych materiałów. Z niecierpliwością czekamy na wyniki prac tego zespołu oraz uruchomienie w naszym kraju produkcji takich urządzeń co mogłoby istotnie obniżyć koszty inwestycyjne takich instalacji. Oczywiście w przyszłości możliwa jest integracja agregatu ORC z turbiną EFGT.
Na tym nie kończy się lista pozytywnych cech proponowanej instalacji poligeneracyjnej. Jak stwierdzono wyżej, źródłem ciepła w kotle wodnym jest proces spalania całkowitej ilości powstających w procesie termolizy biomasy natomiast biowęgiel jest głównym produktem. Reaktor termolizy (rys.1.) najlepiej usytuować w bezpośrednim sąsiedztwie kotła wodnego tak aby spalane gazy były gorące co z jednej strony podniesie znacząco entalpię spalin (a tym samym kaloryczną temperaturę ich spalania a ta poprawi niewątpliwie wymianę ciepła w kotle wodnym) z ich spalania oraz pozwoli dostarczyć do palnika kotła ciężkie węglowodory (smoły) w postaci zawiesiny płynnych aerozoli co wyeliminuje osadzanie się i polimeryzację ich na ściankach kanału doprowadzającego oraz ułatwi ich spalanie. Doświadczenia z eksploatacją instalacji zgazowania biomasy z wykorzystaniem silników wewnętrznego spalania dobitnie pokazują, że usunięcie smół ze schładzanych gazów syntezowych jest niezwykle trudnym i kosztownym przedsięwzięciem technicznym. Dodatkowo procesy zgazowania biomasy prowadzone są z częściowym spalaniem pozostałości koksowej (praktycznie koksu) dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło reakcji endotermicznych stanowiących podstawowe reakcje procesu zgazowania. Powstający popiół z częściowego spalania tzw. karbonizatu zanieczyszcza obok smoły nie tylko gaz syntezowy lecz części mineralne popiołu osadzają się m.in. na ściankach wymienników schładzających ten gaz przed doprowadzeniem go cylindrów silników tłokowych lub turbin gazowych wewnętrznego spalania.
W przypadku realizacji procesu termolizy w reaktorze nie zachodzi proces spalania agro części mineralnych, szczególnie alkaliów (o właściwościach odżywczych dla roślin), zawartych w biowęglu zostaje w nim uwiezionych i później wraz z nim lub tworzonych na jego bazie nawozów z powrotem trafi do gleby skąd pobrała je roślina by wzrosnąć.To właśnie istotnie odróżnia proces termolizy nie tylko od zgazowania lecz głównie spalania biomasy. Spalanie biomasy drzewnej a szczególnie pochodzenia agro powoduje nie tylko uciążliwe zanieczyszczenia powierzchni kotłów, lecz bezpowrotne usunięcie substancji mineralnych popiołów z biomasy z obiegu przyrodniczego, gdyż popioły te jako niebezpieczne muszą być deponowane na specjalnie przygotowanych składowiskach, co generuje dodatkowe koszty.
Wykorzystanie biowęgla wytwarzanego w procesie kontrolowanej termolizy to kolejny atut proponowanej instalacji przedstawionej na rys.1. Otóż mocno rozwinięta struktura wewnętrzna biowęgla,jego skład (wysoka zawartość pierwiastka C), odporność na mineralizacje oraz właściwości chemiczne same w sobie nadają mu cechy nawozowe oraz silnie absorpcyjne. Z tych m.in. powodów wykorzystanie biowęgla w szeroko rozumianym rolnictwie staje się coraz bardziej znane i pożądane na Świecie. Rolnik hodujący rośliny stosując dodatek biowegla do gleby w formie bezpośredniej lub najlepiej zmieszany z nawozami lub kompostem może z powodzeniem wyeliminować nawozy sztuczne. Grupa rolników zajmujących się hodowlą drobiu i zwierząt a także my konsumenci ich produkcji, możemy także skorzystać z potencjału biowęgla. Jako produkt pochodzenia biologicznego o wysokich właściwościach sorbcyjnych dodany do paszy bez skutków ubocznych poprawia zdrowie zwierząt i drobiu eliminując szkodliwe i nie zawsze skuteczne farmaceutyki. Wszyscy znamy prozdrowotne skutki stosowania pastylek bądź kapsułek farmaceutycznego węgla drzewnego połykanych przez nas w przypadkach zatruć pokarmowych. Takie same skutki wywołuje biowęgiel stosowany w odpowiednio dobranych dawkach do diety zwierzęcej i ptactwa. Nie dość tego wydalany z obornikiem i gnojowicą wzbogaca ich wartość nawozową oraz poprawia stopień przetwarzania tych substratów w procesach produkcji biogazu. Poferment z biogazowni także może być z powodzeniem przetworzony do biowegla w reaktorze termolizy i dodany do nawozów pozwoli zawrócić do gleby wszystko to co cenne dla gleby a nie przetworzone w procesie fermentacji.
Warunki chowu drobiu w kurnikach także mogą być istotnie poprawione. Np. dodanie biowegla do ściółki w chowie brojlerów w gorące dni obniża stężenie amoniaku, siarkowodoru (gazy silnie trujące) oraz metanu (silnie działający gaz cieplarniany). Duże zdolności sorpcyjne biowęgla po dodaniu go do pasz pozwalają na wyeliminowanie wielu szkodliwych dla dobrostanu zwierząt hodowlanych i drobiu dodatków paszowych, poprawiając tym samym zakres i skalę wykorzystania ich odchodów do produkcji rolnej oraz negatywnego oddziaływania na środowisko (np. odór, skażenie wód gruntowych itp.).
Trudno w tak ograniczonym rozmiarami artykule omówić wszystkie zalety produkcji biowęgla, jego zastosowania oraz stosowania. Na jedną z nich warto zwrócić uwagę ponownie na zakończenie. Otóż dzięki ujemnemu śladowi węglowemu uzyskiwanemu w procesie produkcji i stosowaniu, biowęgiel jest wymieniany jako skuteczny produkt do pochłaniania emisji CO2 oraz zatrzymywania wody w glebie a więc stanowi doskonałe narzędzie do walki ze zmianami klimatu. O wadze i skali tego zainteresowania świadczy dokument wydany w listopadzie 2021 przez Parlament Europejski pod nazwą „Carbon farming Making agriculture fit for 2030 [5,6].
Literatura:
[1] Bis Z.: Energetyka węglowa z CCS i jak to zrobić w warunkach Polski, Biznes Alert, 09.03.2022,
[2] Bis Z.: Trzy propozycje dla ciepłownictwa w XXI wieku, Energetyka Cieplna i Zawodowa, 1,2020,78,
[3] Bis Z.: Biowęgiel źródłem zielonej energii, Energetyka Cieplna i Zawodowa, 4,2020,48
[4] EBC, Certification of the carbon sink potential of biochar, Ithaka Institute, Arbaz, Switzerland, 1.06. 2020 http://European-biochar.org. Version 1.0E
[5] McDonald H.: Carbon Farming Making agriculture fit for 2030, Presentation Ecologic Institute, 21.02.2022, www.eesc.europa.eu/fr/news-media/presentations/carbon-farming-making-agriculture-fit-2030#downloads
[6] Carbon farming: Making agriculture fit for 2030 (ieep.eu)
Polska ma „lada chwila” otrzymać środki Krajowego Planu Odbudowy
